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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Grundplatte nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Grundplatte nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
US 2007/0178361 A1 beschrieben, ein Stromerzeuger und dessen Komponenten sowie eine Fertigung des Stromerzeugers und der Komponenten bekannt. Der Stromerzeuger umfasst einen Bipolarplattenstapel, welcher zur Nutzung in einer Brennstoffzelle geeignet ist. Der Stapel weist zumindest einen Abstandshalter zur Druckbegrenzung in einer Membran-Elektroden-Anordnung in der Brennstoffzelle auf. Zur Herstellung der Bipolarplatten und der Abstandshalter wird beispielsweise Laserschneiden oder Stanzen eingesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Herstellen einer Grundplatte anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Grundplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Grundplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In einem Verfahren zum Herstellen einer Grundplatte für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle wird erfindungsgemäß die Grundplatte mittels Remote-Laserschneiden aus einem Ausgangsmaterial ausgeschnitten.
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Das Ausgangsmaterial ist zweckmäßigerweise Metall, insbesondere eine Edelstahlfolie. Im Remote-Laserschneiden, auch Laser-Remote-Schneiden genannt, wird der Laserstrahl durch eine Strahlablenkeinheit geführt, welche einen oder mehrere Spiegel aufweist, vorzugsweise eine Kombination von rotierenden Facettenspiegeln und/oder verkippbaren Ablenkspiegeln. Mittels dieser Strahlablenkeinheit, auch dynamischer Scanner, Scannerkopf oder Spiegelscanner genannt, wird der Laserstrahl auf seine jeweilige Arbeitsposition auf dem zu bearbeitenden Ausgangsmaterial ausgerichtet und entlang eines vorgegebenen Schneidweges geführt.
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Aufgrund eines großen Abstandes zwischen der Strahlablenkeinheit und dem zu bearbeitenden Ausgangsmaterial bewirken kleine Auslenkungen in der Strahlablenkeinheit große Wegstrecken auf dem Ausgangsmaterial. Aufgrund eines derartigen Übersetzungsverhältnisses und relativ kleiner bewegter Massen werden hohe Schneidgeschwindigkeiten am Ausgangsmaterial erzielt. Dadurch wird gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wie beispielsweise Stanzen oder Laserschneiden, bei welchem der Laser mittels eines relativ zum zu bearbeitenden Werkstück beweglichen Schneidkopfes über das zu bearbeitende Werkstück bewegt wird, eine erhebliche Fertigungszeitreduzierung erreicht, d. h. die Grundplatte wird wesentlich schneller aus dem Ausgangsmaterial herausgeschnitten. Des Weiteren wird insbesondere im Vergleich zum Stanzen eine Fertigungskostenreduzierung erreicht, da das Stanzen mit hohen Werkzeugfertigungskosten zur Stanzwerkzeugherstellung und mit hohen Werkzeugwartungskosten aufgrund eines erforderlichen Nachschärfens eines Stanzwerkzeuges verbunden ist, welche beim Remote-Laserschneiden nicht anfallen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Remote-Laserschneidens einer Grundplatte,
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2 eine schematische Darstellung einer Grundplatte nach einem Remote-Laserschneiden und
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3 eine schematische Darstellung einer Nachbearbeitung einer Grundplatte.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Remote-Laserschneidens einer Grundplatte 1 für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle. Die Grundplatte 1, welche in
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2 in einem ausgeschnittenen Zustand näher dargestellt ist, wird mittels einer Remote-Laseranlage 2 durch Remote-Laserschneiden aus einem Ausgangsmaterial 3 herausgeschnitten, im hier dargestellten Beispiel aus einer Edelstahlfolie. Die Remote-Laseranlage 2 ist ein Bestandteil einer Vorrichtung zum Herstellen der Grundplatte 1 für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle.
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Im Remote-Laserschneiden, auch Laser-Remote-Schneiden genannt, wird ein Laserstrahl 4, welcher vorzugsweise mittels eines so genannten Single Mode Festkörperlasers oder mittels eines so genannten Single Mode Faserlasers mit einer Wellenlänge von 1030 nm bis 1070 nm in bester Strahlqualität erzeugt wird, einer Strahlablenkeinheit 5 zugeführt, welche einen oder mehrere hier nicht näher dargestellte Spiegel aufweist, vorzugsweise eine Kombination von rotierenden Facettenspiegeln und/oder verkippbaren Ablenkspiegeln. Mittels dieser Strahlablenkeinheit 5, auch dynamischer Scanner, Scannerkopf oder Spiegelscanner genannt, wird der Laserstrahl 4 auf seine jeweilige Arbeitsposition auf dem Ausgangsmaterial 3 ausgerichtet und entlang eines vorgegebenen Schneidweges geführt.
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Aufgrund eines großen Abstandes zwischen der Strahlablenkeinheit 5 und dem zu bearbeitenden Ausgangsmaterial 3 bewirken kleine Auslenkungen in der Strahlablenkeinheit 5 große Wegstrecken auf dem Ausgangsmaterial 3. Aufgrund eines derartigen Übersetzungsverhältnisses und relativ kleiner bewegter Massen werden hohe Schneidgeschwindigkeiten am Ausgangsmaterial 3 erzielt. Dadurch wird gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wie beispielsweise Stanzen oder Laserschneiden, bei welchem der Laser mittels eines relativ zum zu bearbeitenden Werkstück beweglichen Schneidkopfes über das zu bearbeitende Werkstück bewegt wird, eine erhebliche Fertigungszeitreduzierung erreicht, d. h. die Grundplatte 1 wird wesentlich schneller aus dem Ausgangsmaterial 3 herausgeschnitten. Des Weiteren wird insbesondere im Vergleich zum Stanzen eine Fertigungskostenreduzierung erreicht, da das Stanzen mit hohen Werkzeugfertigungskosten zur Stanzwerkzeugherstellung und mit hohen Werkzeugwartungskosten aufgrund eines erforderlichen Nachschärfens eines Stanzwerkzeugs verbunden ist, welche beim Remote-Laserschneiden nicht anfallen.
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Nachdem die Grundplatte 1 mittels des Remote-Laserschneidens aus dem Ausgangsmaterial 3 herausgeschnitten wurde, weist sie unsaubere Schneidränder 6 auf, wie in 2 dargestellt. D. h. die Grundplatte 1 weist eine noch nicht optimale Kantenqualität aufgrund ungerader Schneidränder 6 und Schmelztropfenanhaftungen 7 durch das Remote-Laserschneiden auf.
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Deshalb erfolgt ein in 3 näher dargestelltes Nachbearbeiten der Grundplatte 1. Dieses Nachbearbeiten umfasst insbesondere ein Glätten der Schneidränder 6 der Grundplatte 1 und kann des Weiteren auch ein Reinigen der Grundplatte 1 umfassen. Das Nachbearbeiten wird in dem hier dargestellten Beispiel mittels einer Elektronenstrahlbearbeitung durchgeführt, d. h. mittels einer Elektronenstrahlschweißanlage 8, welche ebenfalls ein Bestandteil der Vorrichtung zum Herstellen der Grundplatte 1 für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle ist. Dabei wird ein Elektronenstrahl 9 erzeugt und elektromagnetisch abgelenkt. Auf diese Weise kann der Elektronenstrahl 9 sehr schnell auf die jeweilige Arbeitsposition ausgerichtet werden.
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Durch das Ausrichten des Elektronenstrahls 9 auf die Schneidränder 6 wird Material der Schneidränder 6 angeschmolzen oder aufgeschmolzen und die Schneidränder 6 werden dadurch gereinigt und geglättet. Dabei kann der Elektronenstrahl 9 durch die elektromagnetische Ablenkung derart schnell ausgerichtet werden, dass eine gleichzeitige Bearbeitung von mindestens zwei Schneidrändern 6 der Grundplatte 1 ermöglicht wird, wobei der Elektronenstrahl 9 fortlaufend zwischen den beiden Schneidrändern 6 hin und her springt. Des Weiteren ist beispielsweise auch ein Defokussieren des Elektronenstrahls 9 und dadurch ein geringerer und breiter verteilter Energieeintrag in das Material der Grundplatte 1 und ein mehrfaches Bewegen des Elektronenstrahls 9 über die Schneidränder 6 oder über Teilbereiche der Schneidränder 6 möglich, so dass eine sehr exakte Nachbearbeitung und dadurch eine sehr hohe Kantenqualität ermöglicht wird.
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Des Weiteren kann mittels des Elektronenstrahls 9 auch eine Oberfläche der Grundplatte 1 gereinigt werden, wodurch sich eine bessere Oberflächenstruktur beispielsweise für eine nachfolgende Beschichtung der Grundplatte 1 ergibt. Durch die Nachbearbeitung wird auch eine Strömungsdynamik von Brennstoffen und/oder eines Kühlmittels in der Brennstoffzelle entlang der Grundplatten 1 verbessert, wodurch die Funktion der Brennstoffzelle verbessert und deren Wirkungsgrad gesteigert wird. Mittels der Elektronenstrahlbearbeitung können auch zwei Grundplatten 1 zu einer Bipolarplatte verschweißt werden und, wenn erforderlich, Oberflächen der zur Bipolarplatte verschweißten Grundplatten 1 nochmals gereinigt werden, um die Strömungsdynamik zu optimieren.
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Die Elektronenstrahlbearbeitung wird vorzugsweise in einer hier nicht dargestellten Vakuumkammer durchgeführt, wobei unter dem in der Technik verwendeten Begriff des Vakuums ein sehr geringer Umgebungsdruck zu verstehen ist. Die Vakuumkammer kann dabei, falls erforderlich, mit Blei ummantelt sein, da während der Elektronenstrahlbearbeitung Röntgenstrahlung entsteht. Eine derartige Anlage wird auch als Elektronenstrahlofen bezeichnet.
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Die Elektronenstrahlbearbeitung erfolgt vorzugsweise in einem Durchlaufverfahren, wobei die Grundplatte 1 beispielsweise auf einem Fließband durch eine Schleuse in Form eines schmalen Schlitzes in die Vakuumkammer eingefahren, dort mittels Elektronenstrahlen 9 bearbeitet und über eine weitere derartige Schleuse wieder aus der Vakuumkammer herausgefahren wird. Auf diese Weise ist beispielsweise eine Fließbandfertigung der Grundplatte 1 mit dem Ausschneiden der Grundplatte 1 und dem nachfolgenden Nachbearbeiten realisierbar.
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In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann das Nachbearbeiten auch mittels einer Laserstrahlbearbeitung durchgeführt werden, vorzugsweise mittels derselben oder einer weiteren, ähnlichen Remote-Laseranlage 2, welche dann ebenfalls ein Bestandteil der Vorrichtung zum Herstellen der Grundplatte 1 für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle ist. D. h. bei einer Nachbearbeitung durch die Laserstrahlbearbeitung kann das Ausschneiden der Grundplatte 1 aus dem Ausgangsmaterial 3 und das nachfolgende Nachbearbeiten an einer Arbeitsstation oder an verschiedenen Arbeitsstationen erfolgen.
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Auch mittels der Laserstrahlbearbeitung kann das Material der Schneidränder 6 angeschmolzen oder aufgeschmolzen und die Schneidränder 6 dadurch gereinigt und geglättet werden, so dass eine sehr hohe Kantenqualität ermöglicht wird.
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Auch mittels der Laserstrahlbearbeitung kann die Oberfläche der Grundplatte 1 gereinigt werden, wodurch sich eine bessere Oberflächenstruktur beispielsweise für eine nachfolgende Beschichtung der Grundplatte 1 ergibt. Auch hier wird durch die Nachbearbeitung die Strömungsdynamik von Brennstoffen und/oder des Kühlmittels in der Brennstoffzelle entlang der Grundplatten 1 verbessert, wodurch die Funktion der Brennstoffzelle verbessert und deren Wirkungsgrad gesteigert wird. Des Weiteren können auch mittels der Laserstrahlbearbeitung zwei Grundplatten 1 zu einer Bipolarplatte verschweißt werden und, wenn erforderlich, Oberflächen der zur Bipolarplatte verschweißten Grundplatten 1 nochmals gereinigt werden, um die Strömungsdynamik zu optimieren.
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Durch das Ausschneiden der Grundplatte 1 aus dem Ausgangsmaterial 3 mittels Remote-Laserschneiden und das nachfolgende Nachbearbeiten, d. h. durch das Herstellen der Grundplatte 1 mittels der Vorrichtung zum Herstellen der Grundplatte 1 für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle werden Grundplatten 1 in einer sehr hohen Qualität in einer sehr geringen Fertigungszeit und zu sehr geringen Fertigungskosten hergestellt. So betragen Prozesszeiten des Ausschneidens und Nachbearbeitens etwa drei Sekunden, während Ausschneidzeiten für das Ausschneiden der Grundplatte 1 aus dem Ausgangsmaterial 3 mit Verfahren nach dem Stand der Technik bei 15 Sekunden liegen, wobei die Qualität der Grundplatte 1 bei Verfahren nach dem Stand der Technik wesentlich schlechter ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundplatte
- 2
- Remote-Laseranlage
- 3
- Ausgangsmaterial
- 4
- Laserstrahl
- 5
- Strahlablenkeinheit
- 6
- Schneidrand
- 7
- Schmelztropfenanhaftung
- 8
- Elektronenstrahlschweißanlage
- 9
- Elektronenstrahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0178361 A1 [0002]
